Inzicht in willekeur: onderzoekers visualiseren besluitvorming in nanomagnetische structuren

Naarmate de energiebehoeften van de wereld voor computergebruik en kunstmatige intelligentie nog steeds toenemen, wordt het ontwikkelen van alternatieve oplossingen met laag vermogen voor traditioneel computergebruik cruciaal. Apparaten die betrouwbaar willekeur of stochasticiteit genereren, zijn van vitaal belang voor veel computertoepassingen.

In nieuw onderzoek hebben wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) een nieuwe benadering onthuld om stochasticiteit in kleine magnetische structuren te begrijpen. Hun werk onderzoekt de ingewikkelde besluitvormingsprocessen van nanomagnetische Galton-boards, een moderne kijk op een klassiek concept in statistieken en computergebruik.

Hun inzichten, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenhebben het potentieel om computerarchitecturen te transformeren, wat leidt tot meer geavanceerde neurale netwerken die kunnen leren en zich kunnen aanpassen zoals het menselijk brein, evenals het verbeteren van coderingstechnologieën om gegevens te beveiligen tegen steeds complexere cyberdreigingen.

Een moderne draai aan een klassiek concept

Een Galton -bestuur, vernoemd naar de Britse wiskundige Sir Francis Galton, is een apparaat dat statistische principes demonstreert met behulp van een driehoekige reeks pinnen. Terwijl ballen door het rooster vallen, stuiteren ze willekeurig links of rechts en landen ze uiteindelijk ergens langs de bodem.

Dit proces illustreert de centrale limietstelling door te laten zien hoe, terwijl ballen door het bord vallen, het meest opgestapeld naar het midden, waardoor een klokvormige curve ontstaat die lijkt op een normale verdeling. Het laat zien hoe willekeurige processen kunnen leiden tot voorspelbare patronen.

In eerder werk ontwikkelden onderzoekers van Université Paris-Saclay in Frankrijk op dit klassieke concept en ontwikkelden een nanomagnetische versie van het Galton Board. In plaats van haringen gebruiken deze planken kleine magnetische structuren gemaakt van een nikkel-ijzerlegering. In plaats van ballen gebruiken ze domeinwanden, die grenzen zijn die gebieden scheiden met verschillende magnetische oriëntaties binnen een materiaal.

Deze domeinwanden worden in het apparaat geïnjecteerd en door de structuur geleid door een toegepast magnetisch veld. Naarmate ze een kruising naderen, moeten ze willekeurige beslissingen nemen om naar links of rechts te gaan, waardoor het klassieke Galton Board -proces nabootst.

“Het nanomagnetische Galton -bord is een fascinerende aanpassing van een klassiek concept, waardoor we willekeur op nanoschaal kunnen verkennen,” zei Hanu Arava, een materiaalwetenschapper bij Argonne.

Het pad dat elke domeinwand bij elke kruising neemt, is willekeurig vanwege kleine variaties in magnetische eigenschappen en andere externe invloeden. Deze willekeur, een gecontroleerde vorm van stochasticiteit, kan worden benut voor berekening. Tot nu toe zijn de exacte redenen achter de willekeur in magnetische domeinen niet volledig begrepen.

Het visualiseren van het onzichtbare

Argonne-onderzoekers hebben het besluitvormingsproces van domeinwanden in realtime gevisualiseerd met behulp van Lorentz-transmissie-elektronenmicroscopie. Met deze state-of-the-art beeldvormingstechniek konden ze direct observeren hoe domeinwanden binnen de nanomagnetische structuren navigeren.

“We kunnen eigenlijk zien hoe de domeinwanden in realtime beslissingen nemen en direct bewijs leveren van hun stochastische gedrag,” legde Arava uit.

Deze beeldvorming onthulde drie belangrijke bijdragers aan de willekeur die van invloed is op domeinwandbeweging: de topologie van de geïnjecteerde domeinwanden, de geometrie van de knooppunten en de sterkte van het toegepaste magnetische veld.

Topologie verwijst naar eigenschappen van de magnetische structuur binnen de domeinwand, die zijn gedrag en interacties kunnen beïnvloeden. De onderzoekers ontdekten dat de circulatierichting van de magnetische draaikolk (met de klok mee of tegen de klok in) in de domeinwand kan bepalen of die domeinwand links of rechts gaat bij de kruising.

In nanomagnetische Galton-planken verwijzen de knooppunten naar de Y-vormige kruispunten waar de domeinwanden een besluitvormingspunt tegenkomen. Deze studie toonde aan dat de grootte en vorm van de knooppunten de complexiteit van de domeinwand beïnvloedt die de kruising kan ondersteunen. Grotere hoekpunten kunnen een complexere domeinwand ondersteunen, wat bijdraagt ​​aan de willekeur bij padselectie.

Een magnetisch veld wordt gebruikt om de domeinwanden door de structuur te drijven. De sterkte van dit veld bleek de willekeur te beïnvloeden door het gedrag en de beweging van de domeinwanden te beïnvloeden. Verder is er een kritische veldsterkte, bekend als de Walker -afbraakdrempel.

Onder deze drempel bewegen de domeinwanden gestaag door de structuur en handhaven ze hun topologische eigenschappen. Maar boven deze drempel kunnen domeinwanden precessionele beweging ondergaan, waarbij de magnetische momenten binnen de wanden rond de richting van het aangebrachte veld roteren. Dit leidt tot complexer en minder voorspelbaar gedrag, waardoor de willekeur toeneemt.

Naar energie-efficiënt computergebruik

Door de natuurlijke willekeur van domeinwandbeweging in magnetische materialen te benutten, willen onderzoekers energie-efficiënte computersystemen creëren die in staat zijn om complexe besluitvormingstaken met minimaal energieverbruik te gebruiken. In tegenstelling tot traditionele computing, waarvoor vaak extra componenten nodig zijn om willekeur te produceren, maakt deze benadering gebruik van de intrinsieke eigenschappen van het materiaal.

“Onze bevindingen openen opwindende mogelijkheden voor de toekomst van computergebruik”, zegt Amanda Petford-Long, directeur van de Materials Science Division en directeur van het Argonne Microelectronics Institute. “Dit werk is een voorbeeld van het innovatieve onderzoek dat we bij Argonne volgen om de grenzen van micro-elektronica te verleggen en technologieën te ontwikkelen die kunnen voldoen aan de groeiende eisen voor energiezuinige computer.”